3- Phân tích, thiết kế và lựa chọn cấu trúc hệ thống phù hợp 4- Đánh giá hiệu quả của hệ thống Trang 12 Lời nói đầuTrong những năm gần đây, việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đạ
Giới thiệu sơ lợc về ngành bia
Ngành công nghiệp sản xuất bia có lịch sử lâu dài và hiện nay đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Bia không chỉ là đồ uống giàu dinh dưỡng với độ cồn thấp, mà còn mang hương vị đặc trưng từ malt đại mạch và hoa houblon Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp bia hiện nay đã tạo ra nguồn thu nhập cao cho các doanh nghiệp và dịch vụ liên quan.
Nhiều nước Châu Âu có khí hậu lạnh có truyền thống lâu đời trong sản xuất bia, với mức tiêu thụ bia cao hơn nhiều so với mức tiêu thụ toàn cầu Trong khi đó, Châu Á, mặc dù phát triển ngành công nghiệp bia muộn hơn, nhưng với dân số đông đảo và thị trường trẻ, mức tiêu thụ bia ở khu vực này đang ngày càng gia tăng.
Ngành công nghiệp sản xuất bia toàn cầu đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển Tại những nước có nhu cầu tiêu thụ cao, mức tiêu thụ bia bình quân đầu người có thể đạt tới 100 lít mỗi năm.
Tổng quan về ngành công nghiệp bia ở Việt Nam
Tình hình sản xuất bia ở Việt Nam
Trong năm năm qua, ngành công nghiệp bia Việt Nam đã ghi nhận sự tăng trưởng mạnh mẽ với mức bình quân từ 8 đến 12% Sự phát triển này được thúc đẩy bởi nhiều yếu tố chính, bao gồm tốc độ tăng GDP, gia tăng dân số, quá trình đô thị hóa, sự phát triển của du lịch, và tốc độ đầu tư cũng như sắp xếp tổ chức sản xuất.
Sản xuất bia nội địa đang ngày càng đáp ứng nhu cầu tiêu thụ, với năng lực sản xuất tập trung chủ yếu tại các thành phố lớn như TP Hồ Chí Minh, Hà Nội và Hải Phòng Các nhà máy bia liên doanh với các hãng nước ngoài như Tiger, Heiniken, Halida, Foster, Carlsberg, Sanmiguel, Huda đang mở rộng và phát triển mạnh mẽ Hầu hết các nhà máy này đã đạt công suất thiết kế và hiện đang xin cấp phép để nâng công suất hoặc xây dựng thêm các nhà máy mới.
Các nhà máy có công suất trên 100 triệu lít mỗi năm được trang bị thiết bị hiện đại và tiên tiến, được nhập khẩu từ những quốc gia có nền công nghiệp phát triển.
Trên thị trường hiện nay, có ba loại sản phẩm bia chủ yếu là bia chai, bia lon và bia hơi Bên cạnh đó, bia tươi cũng đã bắt đầu xuất hiện, tuy chiếm một thị phần tương đối nhỏ, chủ yếu tập trung ở các thành phố lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh.
Theo báo cáo của Bộ Công nghiệp, mục tiêu đến năm 2010 là phát triển ngành bia, rượu, nước giải khát (NGK) Việt Nam thành một ngành kinh tế mạnh Điều này bao gồm việc khuyến khích sử dụng nguyên liệu trong nước và phát triển sản xuất các sản phẩm chất lượng cao, có uy tín và thương hiệu mạnh trên thị trường.
Định hớng phát triển ngành công nghiệp bia Việt Nam
Để hội nhập kinh tế khu vực và quốc tế hiệu quả, các doanh nghiệp trong nước cần quy hoạch, tổ chức lại sản xuất và thiết lập liên doanh, liên kết trong và ngoài nước Điều này giúp họ phát triển thành những tập đoàn kinh tế mạnh mẽ, có khả năng cạnh tranh trong môi trường mở cửa.
Dựa trên số liệu thực tế và đánh giá xu hướng phát triển của ngành, quy hoạch tổng thể phát triển ngành Bia, Rượu và Nước giải khát Việt Nam đến năm 2030 đã được xác định Mục tiêu là nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng ngày càng cao và mở rộng thị trường trong nước và quốc tế Các chiến lược phát triển sẽ tập trung vào việc cải tiến công nghệ sản xuất, tăng cường quản lý chất lượng và phát triển nguồn nhân lực.
Năm 2010, sản xuất trong nước cần điều chỉnh và bổ sung trên nhiều phương diện như chủng loại sản phẩm, công nghệ, thiết bị, hướng đầu tư, nghiên cứu khoa học và đào tạo Đặc biệt, cần tập trung đầu tư vào các nhà máy có công suất lớn và hạn chế các nhà máy bia có công suất nhỏ nhằm khẳng định thương hiệu và nâng cao khả năng cạnh tranh.
Để nâng cao sức cạnh tranh và thu hút vốn đầu tư nước ngoài, cần tạo điều kiện cho các doanh nghiệp Nhà nước và công ty cổ phần có vốn Nhà nước chi phối tham gia liên doanh, liên kết và bán cổ phần cho các hãng bia lớn trên thế giới Qua đó, các doanh nghiệp sẽ tiếp thu trình độ quản lý tiên tiến và công nghệ hiện đại, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm và đẩy mạnh xuất khẩu Học hỏi từ kinh nghiệm của các nước đang phát triển, các hãng bia không có thương hiệu và nhà máy bia quy mô nhỏ sẽ phải đối mặt với nguy cơ bị đào thải hoặc buộc phải sát nhập, bán cổ phần cho các thương hiệu lớn hơn.
Dự kiến phát triển về ngành công nghiệp sản xuất bia nh sau:
Năm 2007, đạt sản lợng 1.800 triệu lít;
Năm 2010, đạt sản lợng 2.500 triệu lít
Để đáp ứng quy hoạch phát triển, các doanh nghiệp cần nâng cấp và đổi mới hệ thống sản xuất, trong đó việc cải tiến hệ thống điều khiển là rất quan trọng Nâng cấp hệ thống điều khiển cho dây chuyền Nấu được coi là ưu tiên hàng đầu, giúp nâng cao chất lượng và đa dạng hóa sản phẩm, từ đó tăng cường sức cạnh tranh cho doanh nghiệp Đây là khâu thiết yếu và phức tạp trong quy trình sản xuất Để cải tiến chất lượng điều khiển cho dây chuyền Nấu, việc hiểu rõ quy trình công nghệ và lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp là điều cần thiết.
Trong dây chuyền nấu bia, có nhiều công đoạn cần nghiên cứu kỹ lưỡng, đòi hỏi thời gian và công sức lớn Luận văn này tập trung vào việc cải tiến thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hóa cho quá trình lọc bã bia, một khâu mà hiện nay còn nhiều hạn chế về tự chủ điều khiển Bài viết sẽ xem xét công nghệ của toàn bộ dây chuyền nấu bia và đặc biệt là công đoạn lọc bã bia, nhằm làm cơ sở cho việc thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hóa hiệu quả.
Vai trò của hệ Nấu trong sản xuất
Nhà máy bia bao gồm nhiều hệ thống chính như nấu, cấp nhiệt, cấp lạnh, lên men, bảo quản, và thanh trùng thiết bị Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào hệ thống dây chuyền nấu bia, đặc biệt là cụm thiết bị của nồi lọc bã bia (lauter), một khâu quan trọng quyết định đến chất lượng bia thành phẩm Dây chuyền nấu bia ảnh hưởng đến nồng độ dinh dưỡng, độ trong, màu sắc, hương vị và khả năng tạo bọt của bia Nhiệm vụ của dây chuyền này là tiếp nhận nguyên liệu gạo và malt đã qua xử lý, thực hiện quá trình biến đổi hóa lý và phối trộn, để tạo ra dịch đường lạnh đạt tiêu chuẩn cần thiết về độ đường và lượng chất hòa tan, sau đó được bơm sang các tank lên men để chuẩn bị cấy giống nấm men.
Hệ thống nấu có các thiết bị chính sau: nồi hồ hoá, nồi đ−ờng hoá, nồi lọc, nồi húp lông, thùng lắng xoáy và các thiết bị phụ trợ
Nồi hồ hoá đóng vai trò quan trọng trong việc ủ và gia nhiệt dung dịch bột gạo, giúp nấu cháo Quá trình này nhằm phá vỡ màng tế bào của tinh bột, tạo điều kiện để tinh bột chuyển hóa thành trạng thái hòa tan trong dung dịch.
Nồi đường hóa là thiết bị quan trọng trong quá trình sản xuất bia, nơi thực hiện ngâm ủ malt và dịch cháo Quá trình này giúp thủy phân hỗn hợp thành đường maltoza và các dextrin bậc thấp, từ đó tạo ra một lượng đường glucoza cần thiết cho quá trình lên men.
Nồi lọc bã đóng vai trò quan trọng trong việc lọc thô dịch đường, giúp loại bỏ bã nguyên liệu và đảm bảo độ trong của dịch đường theo tiêu chuẩn công nghệ trước khi tiến hành quá trình húp lông hóa.
Nồi houblon có vai trò quan trọng trong việc gia nhiệt dịch đến nhiệt độ sôi, nhằm thực hiện quá trình houblon hóa dịch đường sau khi trộn hoa houblon Mục đích của quá trình này là tạo ra bia với vị đắng, hương thơm đặc trưng và kết tủa protein khả kết, từ đó tăng cường khả năng giữ và tạo bọt cho bia.
Thùng lắng xoáy: thùng lắng xoáy là thiết bị tách cặn nóng của dịch hèm tr ớc khi đi làm lạnh nhanh để đ a đến tank lên men.− −
Hệ thống cấp nhiệt là yếu tố quan trọng trong quá trình nấu nguyên liệu và thanh trùng thiết bị, đồng thời cung cấp nước nóng Nhiệt năng cho các thiết bị được sản xuất từ nồi hơi, có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau như chất rắn, lỏng hoặc khí, tùy thuộc vào từng nhà máy.
Hệ thống vệ sinh và thanh trùng thiết bị (CIP) đóng vai trò quan trọng trong việc làm sạch và khử trùng các thiết bị, nhằm đảm bảo an toàn vệ sinh trong quá trình sản xuất.
Hệ thống CIP th−ờng có: bình chứa dung dịch xút loãng, bình axít loãng, bình chứa n−íc nãng
Quá trình nấu bia bao gồm các bước xử lý tuần tự giữa các nồi, mỗi nồi có chức năng riêng biệt Trong đó, nồi lọc bã bia đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định chất lượng bia, ảnh hưởng đến độ trong, tốc độ lọc và thời gian lọc, từ đó tác động đến công suất hoạt động của nhà nấu bia.
Tổng quan về hệ thống điều khiển trong dây chuyền nấu
Sơ đồ nguyên lý của dây chuyền nầu bia
Quá trình sản xuất bia là một chuỗi phức tạp, tuy nhiên có thể được đơn giản hóa thành các bước cơ bản không thể thiếu Mỗi nhà sản xuất có thể có những biến thể riêng, nhưng các công đoạn chính vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc tạo ra sản phẩm cuối cùng.
Hình 1 2: Sơ đồ khối nguyên lý sản xuất bia- chính củaNM bia Sài Gòn Hà Nội
Thùng khuấy bột malt lót Nồi nấu gạo
Bộ sạc không khí voõ truứng
Boàn leân men LMC : 7 ngày LMP : 7– 14 ngà y
Lưu lượng kế Đèn UV
Quy trình công nghệ sản xuất bia và sơ đồ khối của quá trình sản xuất
Hình 1.3a - Sơ đồ tống quan các công đoạn chính trong một nhà máy bia
Hình 1.3b - Sơ đồ tống quan các công đoạn chính trong một nhà máy bia
Malt Nguyên liệu thay thế
Lọc trong thu hồi dịch đờng
Hoa Đun sôi với hoa Nớc rửa
Lắng Làm lạnh Lên men Lên men Lọc trong bia Bia tơi
Hình 1.3c Sơ đồ tống quan các công đoạn chính trong một nhà máy bia-
Ngâm, hồ hoá, dịch hoá
NÊm gièng men gièng Men Nh©n gièng
Lên men chính Thu hồi
Lên men phụ Lọc bia Tàng trữ
ChiÕt chai, lon Thanh trùng
Quá trình xay nghiền nấu bia bao gồm các bước quan trọng như làm sạch và xay malt, xay nguyên liệu phụ (gạo), thủy phân protein và đường hóa tinh bột Sau đó, dung dịch được lọc ở nồi lọc, đun sôi với hoa huplông, và làm trong ở thùng lắng xoáy Tiếp theo, nước nha được làm lạnh nhanh trước khi chuyển vào tank lên men, nơi diễn ra quá trình lên men chính, phụ thuộc vào công nghệ và chủng loại men Sau khi hoàn tất, dịch nha trở thành bia non, được lọc thành bia thành phẩm và chứa trong tank, sau đó được vận chuyển để chiết vào chai, lon hoặc keg để tiêu thụ.
Nhà máy Bia Sài Gòn Hà Nội (SAHABECO) thuộc Công ty Cổ phần Bia Sài Gòn Hà Nội, được xây dựng tại Khu công nghiệp vừa và nhỏ huyện.
Nhà máy bia Từ Liêm, Hà Nội, có công suất 90 triệu lít bia thương phẩm mỗi năm và khả năng mở rộng lên đến 120 triệu lít/năm, đã được khởi công xây dựng trên diện tích rộng lớn.
6 hecta vào tháng 9 năm 2007 và đợc bàn giao đa vào sử dụng vào tháng 11 năm
2008 Ngay khi ban giao, nhà máy đã chạy ổn định và vợt công suất thiết kế, đáp ứng đủ yêu cầu đề ra ban đầu
Nhà máy Bia Sài Gòn Hà Nội được tổng thầu bởi công ty Cơ nhiệt điện lạnh Bách Khoa (POLYCO), với dây chuyền chiết chai và hệ thống lọc bia do hãng KRONES AG (Đức) cung cấp Nhà máy áp dụng công nghệ từ Bia Sài Gòn, sử dụng máy móc do POLYCO thiết kế và chế tạo trong nước, cùng với một số thiết bị nhập khẩu từ KRONES AG POLYCO đảm nhận việc thiết kế, chế tạo, lắp đặt và tự động hóa các hệ thống như xay nghiền và vận chuyển nguyên liệu, nấu, lên men, tank thành phẩm, xử lý nước nấu, xử lý nước thải, máy nén khí, lạnh, thu hồi CO2, lò hơi, và hệ thống điện phân phối động lực cùng điều khiển tự động.
Hình 1.4 Sơ đồ khối của quá trình sản xuất tại nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội-
Chú thích về đờng công nghệ trên hình vẽ:
- Đờng màu đỏ ( ) biểu diễn sự cung cấp điện năng từ tủ phân phối đến tất cả các hệ thống hay bộ phận trong nhà máy
- Đờng màu xanh đậm ( ) biểu diễn sự cung cấp nớc cho các bộ phận trong nhà máy
- Đờng màu tím ( ) biểu diễn sự cấp hơi nớc nóng cho các bộ phận.
- Đờng màu vàng ( ) biểu diễn sự cấp khí nén cho các bộ phận.
- Đờng màu đen ( ) biểu thị sự thu hồi nớc thải từ tất cả các bộ phận về bể gom nớc thải của hệ thống xử lý nớc thải
- Đờng màu vàng xanh ( ) biểu diễn sự thu hồi từ các tank lên men và cấp CO2 cho hệ lên men, lọc, chiết
Đường màu xanh nhạt biểu thị việc cung cấp Glycol làm lạnh cho các hệ thống nấu, lên men, lọc, chiết, tank thành phẩm và các bộ phận khác trong nhà máy.
Nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội được chia thành 13 hệ thống nhỏ, mỗi hệ thống có bộ điều khiển riêng Các hệ thống xử lý nguyên liệu, nấu, lên men, lọc, thành phẩm và CIP được kết nối qua mạng công nghiệp, cho phép giám sát và điều khiển từ phòng điều hành trung tâm Trong khi đó, các hệ thống khác được điều khiển cục bộ tại hiện trường Mô hình khối của các hệ thống trong nhà máy bia được thể hiện trong hình 1.4.
Hệ thống điều khiển ứng dụng trong dây chuyền nấu
a) Một số phơng pháp điều khiển trong công nghiệp
Hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là giải pháp giám sát và thu thập dữ liệu hiệu quả trong ngành công nghiệp Nó cho phép người dùng theo dõi và điều khiển thiết bị từ xa thông qua giao diện HMI (Human Machine Interface) Cấu trúc của hệ thống SCADA được tổ chức theo mô hình phân cấp, với khả năng phân chia thành bốn cấp độ khác nhau.
Quá trình công nghệ (QTCN) là một thiết bị điều khiển hoặc tập hợp các cơ cấu, được thiết kế để hoạt động trong sản xuất sản phẩm theo định hướng cụ thể.
Cấp 0 (Individual Control): Là các cơ cấu thừa hành, chấp hành Đó là các thiết bị đo, các cảm biến dùng để thu nhận tín hiệu từ QTCN, đó là các van, động cơ, … nhận thông tin điều khiển và thực hiện nó
Sensors Measurement actuators, motors, relays, valves
Cơ cấu chấp hành, ®iÒu khiÓn
Hệ ĐK TĐH QTCN Computer
Hình 1 Cấu trúc phân cấp của hệ điều khiển5-
Cấp 1 (Local Control): Là cấp điều khiển cục bộ, nó điều khiển từng máy, từng bộ phận của quá trình công nghệ Hệ thống nhận thông tin từ cấp 0 rồi thực hiện các thao tác do con ngời đặt sẵn bằng chơng trình cài đặt Mọi thông tin thu đợc từ cấp 0 và các kết quả thu đợc trong quá trình tác động đợc báo lên cấp 2 Cấp này thờng dung là các bộ PID, các bộ Controller hay các bộ logic lập trình đợc điển h×nh nh PLC
Cấp 2 (Process Control): Cấp điều khiển quá trình công nghệ ở cấp này có máy tính hoặc mạng máy tính, máy tính có nhiệm vụ thu thập thông tin về quá trình công nghệ đợc gửi từ cấp 1 lên, rồi xử lý những thông tin đó và trao đổi với ngời điều khiển Thông qua máy tính, ngời điều khiển có thể can thiệp vào quá trình công nghệ, nh vậy hệ điều khiển ở đây thuộc hệ điều khiển ngời – máy
Cấp 3 (Supervisory Control Management System): Cấp điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất ở cấp độ này có trung tâm máy tính, và chúng không những xử lý những thông tin mà cấp 2 đa lên còn xử lý thêm những thông tin về thị trờng, vật t, … và đa ra những giải pháp tối u cho ngời quản lý Cũng giống nh hệ thống điều khiển quá trình công nghệ, cấp 3 cũng là một hệ điều khiển ngời – máy nhng ở cấp độ cao hơn
Quá trình điều khiển bao gồm thu thập, xử lý và truyền đạt thông tin, trong đó con người đảm nhiệm các cấp độ 1, 2 và 3 như thể hiện trong hình 2 Ở cấp độ quản lý và định hướng, vai trò của con người vẫn rất quan trọng, như mô tả trong hình 3 Do đó, con người đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống điều khiển Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã thể hiện sự khác biệt giữa hai hình thức này.
Hình 1.6 Quá trình xử lý thông tin trong điều khiển thông thờng -
Các thành phần chức năng của hệ SCADA là:
- Giao diện ngời máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác,v.v ) -
- Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp.
- Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (drivers cho các PLC, các module vào/ra cho các hệ thống bus trờng)
- Cơ sở dữ liệu quá trình, dữ liệu cấu hình hệ thống.
- Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức (Messaging), sự cố (Alarm).
- Hỗ trợ lập báo cáo và thống kê (Reporting).
Hệ thống SCADA truyền thống chủ yếu thu thập dữ liệu từ các trạm xa và truyền tải về trung tâm để xử lý, với sự chú trọng vào hệ thống truyền thông và phần cứng Gần đây, tiến bộ trong truyền thông công nghiệp và phần mềm đã mang lại nhiều giải pháp mới Theo xu hướng hiện đại, các giải pháp điều khiển phân tán hiện có hệ thống truyền thông ở cấp dưới (bus trường, bus xử lý) và cấp trên (Ethernet) Do đó, việc xây dựng hệ thống SCADA hiện nay tập trung vào việc lựa chọn phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống.
Các vấn đề cần đặc biệt chú ý khi đánh giá một giải pháp SCADA:
Thông tin đã xử lý ĐK chiến lợc
Thông tin đầu vào ĐK chiến thuËt
Hình 1 7-Quá trình xử lý thông tin trong hệ thống điều khiển tự động
- Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện các màn hình giao diện, chất lợng của các thành phần đồ hoạ có sẵn
Khả năng truy cập và kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật rất quan trọng, bao gồm việc thu thập thông tin trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, cảm biến và các mô-đun vào/ra thông qua PLC hay các hệ thống bus chuyên dụng.
- Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình
The ability to support the development of messaging functions, event and alarm processing, information archiving and history retention, as well as reporting capabilities is essential for effective communication and data management.
- Tính năng thời gian và hiệu suất trao đổi thông tin.
- Giá thành tổng thể của hệ thống.
Tạo dựng một ứng dụng SCADA bao gồm hai công việc chính: xây dựng màn hình hiển thị và thiết lập mối quan hệ giữa các hình ảnh trên màn hình với các biến quá trình Có hai phương pháp để thực hiện điều này.
Phương pháp lập trình là cách tạo dựng ứng dụng thông qua các ngôn ngữ lập trình phổ biến như Visual C++, Visual Basic và Delphi, đòi hỏi kỹ sư phải có trình độ lập trình chuyên sâu Việc xây dựng các biểu tượng công nghiệp như van, đồng hồ và đường ống tiêu tốn nhiều công sức và thời gian Dù áp dụng các kỹ thuật lập trình tiên tiến, việc biên dịch toàn bộ ứng dụng vẫn là điều không thể tránh khỏi.
Phương pháp thứ hai sử dụng phần mềm SCADA chuyên dụng, nổi bật với tính chuyên môn hóa cao Các công cụ này cung cấp thư viện thành phần để xây dựng giao diện người-máy (HMI) và kết nối với các thiết bị dữ liệu phổ biến Hiện nay, xu hướng là kết hợp lập trình trực quan với ngôn ngữ script, tương tự như soạn thảo văn bản Một số công cụ còn cho phép sử dụng biểu tượng và ký hiệu đồ họa để thiết kế giao diện, đồng thời thể hiện mối liên hệ logic giữa các thành phần chương trình dưới dạng các khối chức năng.
Currently, widely used specialized SCADA tools include Genesis32 (Iconics), iFix (Intellution), Intouch (Wonderware), WinCC (SIEMENS), and RSView32 (Rockwell) Renowned companies in the industry such as Wonderware, Siemens, Intellution, and Rockwell are known for their expertise in this field.
Trong nội dung đồ án tốt nghiệp này phần mềm của SIEMENS đợc sử dụng
Các hệ SCADA trên thế giới
iFix, một thành viên trong hệ thống phần mềm Intellution Dynamics – GE Fanuc, bao gồm iFix Standard HMI Pack và iFix Plus SCADA Pack, là giải pháp HMI/SCADA tối ưu cho việc trực quan hóa quy trình sản xuất iFix cung cấp khả năng thu thập số liệu và dữ liệu điều khiển toàn diện trong nhà máy, đảm bảo an toàn và mạnh mẽ trong việc kiểm soát mọi hoạt động sản xuất Giải pháp này giúp đáp ứng nhanh chóng, giảm thiểu lãng phí, cải thiện chất lượng sản phẩm, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm mới ra thị trường và tăng lợi nhuận cho nhà máy.
Vai trò của nồi lọc trong dây chuyền nấu bia hiện đại
Tổng quan về dây chuyền nấu
Trong quy trình nấu, mỗi mẻ nấu diễn ra tuần tự qua các bước trong sơ đồ, với từng bước được thực hiện riêng biệt tại một nồi chức năng Nhiệm vụ điều khiển và bài toán điều khiển tại mỗi bước là khác nhau, đảm bảo hiệu quả cho toàn bộ dây chuyền nấu.
Nồi nấu gạo và nấu malt có chức năng chuyển đổi các chất không hòa tan hoặc hòa tan trong nguyên liệu thành chất hòa tan (chất chiết) trong dịch lỏng.
Hồ hoá là quá trình mà hạt tinh bột bị phá vỡ dưới tác động của nhiệt độ, giúp phá vỡ cấu trúc màng tế bào của tinh bột Nhiệt độ hồ hoá phụ thuộc vào độ pha loãng, trong đó độ loãng cao sẽ thuận lợi cho quá trình thuỷ phân tinh bột.
→ thuận lợi cho thuỷ phân protein), oạ l i nguy n ê liệu, kích thớc hạt tinh bột (càng bé, nhiệt độ hồ hoá càng cao), tỷ lệ amyloza và amylopectin
Quá trình dịch hoá diễn ra nhanh chóng trong nồi hồ hoá, nhằm giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn độ nhớt của hồ tinh bột dưới tác dụng của amylaza Cụ thể, khi 0,5% amylopectin bị phân cắt, độ nhớt giảm, và khi 10% amylopectin bị phân cắt, độ nhớt sẽ mất hoàn toàn Đồng thời, quá trình đường hoá diễn ra với sự hoạt động của α và β-amylaza.
Quá trình đường hóa trong sản xuất có 80% đường lên men và 20% đường không lên men Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này bao gồm pH của dịch cháo, nhiệt độ, nồng độ enzym và nồng độ dịch cháo Mặc dù nồng độ dịch cháo ít ảnh hưởng đến HSLM, nhưng thời gian giữ nhiệt ở các điểm dõng có thể kéo dài quá trình.
Nhiệm vụ điều khiển là duy trì ổn định nhiệt độ của hỗn hợp nguyên liệu và nước nấu theo biểu đồ nhiệt độ nấu riêng cho từng loại nguyên liệu như gạo hoặc malt Biểu đồ này khác nhau tùy thuộc vào từng loại bia và công nghệ sản xuất cụ thể.
2- Nồi lọc dịch đờng: Nhiệm vụ điều khiển ở đây là điều khiển ổn định độ trong của dịch đờng sau lọc và chất lợng lọc đạt đợc độ trong của bia đảm bảo đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ đồng thời phải đảm bảo đợc tốc độ lọc là nhanh nhất có thể nhằm tăng năng suất cho nhà máy và hạn chế việc hạ nhiệt của toàn bộ khối dịch do trong quá trình lọc bã malt không có quá trình gia nhiệt.
Nồi trung gian là thiết bị chứa đóng vai trò chuyển tiếp dịch đường từ nồi lọc sang nồi sôi hoa, không yêu cầu công nghệ đặc biệt cho bước này.
Nồi sôi hoa có nhiệm vụ điều khiển cấp hơi bão hoà vào nồi thông qua hệ thống giàn trao đổi nhiệt đặc biệt, nhằm làm sôi toàn bộ khối dịch Quá trình này dẫn đến bay hơi nước và loại bỏ một số thành phần hóa học không mong muốn, giúp khối dịch đạt được độ đường, màu sắc và hương vị theo yêu cầu của công nghệ.
Nồi lắng xoáy đóng vai trò quan trọng trong việc lọc cặn bã sinh ra trong quá trình sôi hoa bằng phương pháp ly tâm Không có yêu cầu công nghệ cụ thể nào cho bước này, tuy nhiên, việc giám sát mức trong nồi là cần thiết để đảm bảo an toàn cho bơm.
Hệ lạnh nhanh có nhiệm vụ giám sát nhiệt độ của dịch ra khỏi giàn làm lạnh và điều chỉnh tốc độ dịch đi qua giàn Mục tiêu là đảm bảo nhiệt độ đầu ra của giàn đạt yêu cầu công nghệ, giữ cho sản phẩm đủ lạnh.
Trong luận văn này, tác giả tập trung phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến bài toán điều khiển trong quá trình lọc bã bia tại nồi lọc dịch đường.
Nồ ồi i n n ấ ấu u c ch há áo o N Nồ ồi i đ đ ờ ờ n n g g ho h oá á
Lạ L ạ n nh h n nh ha an nh h
L Lắ ắn ng g x xo oá áy y
N Nồ ồi i s sô ôi i h ho oa a
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Hình 2-1a: Sơ đồ công nghệ toàn bộ hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội –Nồi hồ hoá và đờng h
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Hình 2-1b: Sơ đồ công nghệ toàn bộ hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội – Nồi lọc bã
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Hình 2-1c: Sơ đồ công nghệ toàn bộ hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội – Nồi trung gian
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Hình 2-1d: Sơ đồ công nghệ toàn bộ hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội – Nồi sôi hoa
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Hình 2-1e: Sơ đồ công nghệ toàn bộ hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội – Nồi lắng xoáy
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Hình 2-1f: Sơ đồ công nghệ toàn bộ hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội – Hệ thống làm lạnh nha
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Hình 2-1g: Sơ đồ công nghệ toàn bộ hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội – Nồi chứa bã
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Hình 2-1h: Sơ đồ công nghệ toàn bộ hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội – Hệ thống nớc nóng lạ
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Hình 2-1i: Sơ đồ công nghệ toàn bộ hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội – Hệ thống CIP nhà nấ
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Nguyên liệu sản xuất và cơ sở công nghệ cho dây chuyền nấu
Nước là thành phần chính của bia, do đó, nguồn nước và các đặc trưng của nó ảnh hưởng lớn đến chất lượng bia Nhiều loại bia được xác định theo đặc điểm của nước trong khu vực sản xuất Mặc dù tác động của các khoáng chất hòa tan trong nước khá phức tạp, nhưng nước mềm thường phù hợp cho sản xuất bia sáng màu Để đảm bảo chất lượng và hương vị ổn định, nước cần được xử lý trước khi sử dụng trong quá trình sản xuất bia nhằm đạt được các tiêu chuẩn chất lượng nhất định.
Ngâm hạt lúa mạch trong nước và để chúng nảy mầm đến một giai đoạn nhất định, sau đó sấy khô hạt đã nảy mầm để thu được hạt ngũ cốc đã mạch nha hóa (malt) Quy trình này nhằm kích hoạt và tăng cường khối lượng cũng như hoạt lực của hệ enzym trong đại mạch, giúp chuyển hóa tinh bột thành đường hoà tan bền vững trong nước để tham gia vào quá trình lên men Thời gian và nhiệt độ sấy khác nhau tạo ra các màu malt đa dạng từ cùng một loại ngũ cốc, với các loại mạch nha sẫm màu hơn dẫn đến bia có màu sắc đậm hơn.
Hoa houblon đã được con người biết đến và sử dụng khoảng 3000 năm TCN, là thành phần quan trọng trong sản xuất bia Nó mang lại hương thơm đặc trưng, tăng khả năng tạo và giữ bọt, đồng thời cải thiện độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm Cây hoa bia được trồng trên toàn thế giới với nhiều giống khác nhau, nhưng chủ yếu được sử dụng trong sản xuất bia Để dễ bảo quản và vận chuyển, hoa houblon thường được sấy khô và chế biến.
Gạo là loại hạt chứa nhiều tinh bột, được sử dụng để sản xuất bia chất lượng cao Trong quá trình chế biến, gạo được nghiền mịn để dễ hòa tan trong quá trình hồ hóa, sau đó phối trộn với bột malt đã đường hóa Lưu ý rằng hạt gạo trắng trong khác với hạt trắng đục về hàm lượng protein, vì vậy các nhà sản xuất bia thường lựa chọn hạt gạo có độ trắng đục cao hơn để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Men bia là vi sinh vật quan trọng trong quá trình lên men đường, được chọn lọc kỹ lưỡng để sản xuất các loại bia khác nhau Chúng chuyển hóa đường từ hạt ngũ cốc thành cồn và carbon đioxit (CO2) Bia Sài Gòn áp dụng công nghệ sản xuất hiện đại, sử dụng men bia nuôi cấy có độ tinh khiết cao, đảm bảo sự ổn định và đồng bộ trong sản phẩm.
Tế bào nấm men: Sacch cerevisiae Sacch pastorianus
Cở sở công nghệ cho dây chuyền nấu tại Nhà máy Bia Sài Gòn Hà Nội
Trong quá trình sản xuất, malt sau khi nghiền sẽ hòa tan với nước theo tỷ lệ phù hợp, dưới tác dụng của enzyme và nhiệt độ nhất định, tạo ra quá trình đường hóa trong "nồi nấu malt" Gạo cũng được hồ hóa và phối trộn với malt để đạt được đường hóa trước khi bơm sang nồi lọc Mục tiêu chính của giai đoạn này là hòa tan hoàn toàn đường, khoáng chất và protein quan trọng, tách chúng khỏi các thành phần không hòa tan như vỏ trấu và chất xơ Tại nồi lọc, chất lỏng được lọc ra khỏi trấu và chất xơ để thu hồi lượng đường còn lại Dịch đường sau đó được đun sôi và houblon hóa, giúp trích ly các hợp chất từ hoa houblon, tạo ra vị đắng và hương thơm cho dịch đường Quá trình này cũng tăng cường độ bền keo và ổn định thành phần sinh học, hỗ trợ tạo và giữ bọt Cuối cùng, sau khi đun sôi, dịch đường cần được lắng cặn và làm lạnh nhanh để đạt nhiệt độ phù hợp cho quá trình lên men.
Tại nhà máy Bia Sài Gòn Hà Nội, yêu cầu cụ thể về nguyên liệu và công nghệ sản xuất nấu nh sau:
Số ngày sản xuất trong năm : 312 ngày
Số ca làm việc trong ngày : 3 ca x 8 giờ
Số ngày làm việc trong tuần : 6 ngày
• Chủng loại bia sản xuất:
Sản xuất bia 10,5; 11,5 0 Plato, chiết chai dung tích 330ml; 450 ml
• Công nghệ sản xuất bia Sài Gòn:
Tỷ lệ nguyên liệu nấu: 75% malt và 25% gạo
- Lên men chính và lên men phụ tiến hành trong cùng một tank
Thời gian lên men là 14 ngày cho loại 10,5 0 P.
+ Lên men chính: t 0 = 7 ữ 10 0 C, áp suất: 0 bar
+ Lên men phụ: t 0 = 2 ữ 5 0 C, áp suất: 0 ữ 9 bar
+ Hạ nhiệt trớc khi lọc: t 0 - = 1 ữ 0 0 C
• Yêu cầu đối với nguyên liệu:
-Malt độ ẩm tối đa 5%, Gạo độ ẩm tối đa 14%
-Houblon, sử dụng hai loại nh sau:
+ Pellet: với hàm l-ợng axit khoảng 6% đến 9%
+ Extract: với hàm l-ợng axit khoảng 30% đến 65%
• Yêu cầu đối với nớc:
Chất lợng nớc dùng nấu bia theo tiêu chuẩn nớc nấu bia Sài Gòn
• Yêu cầu đối với công suất nấu:
- Công suất nấu : 8 mẻ/ngày (24h)
- Thể tích dịch đờng nóng : 110 330hl dịch đ-ờng nóngnóng/mẻ
Nhiệt độ nớc sau khi phối trộn:
• Yêu cầu đối với nồi lọc phải đạt đợc các thông số nh sau: §é ®êng: ≤ 0.8 Plato
Tổng thời gian vận hành tại nồi lọc: ≤ 180 phút Độ trong (độ đục) của dịch: ≤ 40 EBC
Vai trò của nồi lọc bã bia
Mục đích của việc lọc dịch đường là tách dịch đường ra khỏi bã với hiệu suất thu hồi tối ưu Nồi lọc bã bia (Lauter tun) thực hiện quá trình này để tách pha lỏng khỏi hỗn hợp, đồng thời loại bỏ pha rắn phế liệu Trong quá trình lọc, nước được thêm vào để rửa bã và bù đắp tổn thất do bay hơi trong khi nấu Độ trong của bia, hay tính “thuần khiết,” phụ thuộc vào quá trình lọc này Để đạt được năng suất cao nhất trong quá trình nấu, thời gian và tốc độ lọc trong mỗi mẻ nấu cũng rất quan trọng, ảnh hưởng đến thời gian tổng thể của quá trình Sau khi lọc hoàn tất, dịch sẽ được chuyển sang nồi houblon.
Tóm lại, theo yêu cầu của công nghệ chung đã đề cập, việc thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hoá cho nồi lọc cần đáp ứng các tiêu chuẩn công nghệ Các yêu cầu chính bao gồm khả năng điều khiển hiệu quả các quá trình diễn ra tại nồi lọc.
Yêu cầu về độ đờng: độ đờng phải ≤ 0.8 Plato
Yêu cầu về thời gian lọc: Tổng thời gian vận hành tại nồi lọc phải ≤ 180 phút
Yêu cầu về độ trong: độ đục của dịch: ≤ 40 EBC
Lựa chọn nồi lọc Pegasus
Nồi lọc Pegasus
2.3.1 Yêu cầu của bài toán điều khiển
Trong điều khiển nồi lọc, nhiệm vụ chính bao gồm kiểm soát thời gian lọc, tốc độ lọc và chất lượng dịch đường Cánh khuấy là một yếu tố quan trọng trong quá trình này Hiện nay, nhiều nhà máy bia chỉ điều khiển cánh khuấy theo các vị trí cố định, thông qua các công tắc hành trình on/off Tuy nhiên, để đảm bảo độ ổn định của màng lọc và chất lượng dịch cốt, cần thiết phải điều khiển hành trình của cánh khuấy một cách nhịp nhàng và uyển chuyển Do đó, thiết kế thiết bị xác định vị trí cánh khuấy liên tục là cần thiết, với tín hiệu trả về được chuyển đổi thành 4-20mA Động cơ nâng hạ cánh khuấy cũng được trang bị biến tần để điều chỉnh tốc độ hoạt động.
Hiện nay, các nhà máy bia tại Việt Nam có tỷ lệ nội địa hoá cao thường điều khiển tốc độ lọc và chất lượng dịch đường dựa trên kinh nghiệm Họ sử dụng phương pháp điều khiển chạy/dừng bơm dịch và thiết bị đo bằng tay hoặc quan sát trực tiếp Sau đó, mẫu dịch đường được lấy sang phòng thí nghiệm để kiểm tra chất lượng trong cả hai chế độ vận hành: bằng tay và tự động.
Trong chế độ vận hành bằng tay, người điều khiển có thể điều chỉnh thời gian và tốc độ lọc thông qua nút bấm bơm hoặc bằng tay thông qua biến tần Tốc độ bơm dịch được điều chỉnh dựa trên kinh nghiệm và theo dõi mức dịch trong nồi bằng thiết bị đo mức liên tục Dựa vào giá trị đo này, người vận hành
Trong chế độ vận hành tự động, tốc độ lọc dịch cốt trong nồi đợc điều khiển theo cách sau:
Điều khiển tốc độ bơm dịch thông qua biến tần phụ thuộc vào mức dịch trong nồi lọc, được giám sát qua một bình chứa trung gian Bình chứa này được thiết kế và lắp đặt sao cho mức dịch trong đó tương đương với mức dịch thực trong nồi lọc Tại bình trung gian, có lắp đặt một thiết bị đo mức liên tục để đảm bảo theo dõi chính xác.
Bài toán điều khiển
Yêu cầu của bài toán điều khiển
Trong quá trình điều khiển nồi lọc, nhiệm vụ chính bao gồm kiểm soát thời gian lọc, tốc độ lọc và chất lượng dịch đường Cánh khuấy là một yếu tố quan trọng trong nồi lọc, nhưng hiện tại, hầu hết các nhà máy bia trong nước chỉ điều khiển cánh khuấy theo các vị trí cố định thông qua các công tắc hành trình on/off Để đảm bảo độ ổn định của màng lọc và chất lượng dịch cốt, cần thiết phải điều khiển hành trình nâng hạ của cánh khuấy một cách nhịp nhàng và uyển chuyển Do đó, thiết kế của tác giả bao gồm một thiết bị xác định vị trí cánh khuấy liên tục, với tín hiệu đầu ra được chuyển đổi thành 4-20mA Đồng thời, động cơ nâng hạ cánh khuấy cũng được trang bị biến tần để điều chỉnh tốc độ hoạt động.
Hiện nay, các nhà máy bia ở Việt Nam có tỷ lệ nội địa hoá cao thường điều khiển tốc độ lọc và chất lượng dịch đường dựa trên kinh nghiệm Họ sử dụng phương pháp chạy/dừng bơm dịch và thiết bị đo bằng tay hoặc quan sát trực tiếp, sau đó lấy mẫu để kiểm tra chất lượng dịch đường tại phòng thí nghiệm Quá trình này được thực hiện trong cả hai chế độ vận hành: vận hành bằng tay và tự động.
Trong chế độ vận hành bằng tay, người vận hành có thể điều chỉnh thời gian và tốc độ lọc thông qua nút bấm điều khiển bơm hoặc bằng cách điều chỉnh tốc độ bơm qua biến tần Tốc độ bơm được điều chỉnh dựa trên kinh nghiệm thông qua núm điều chỉnh tốc độ biến tần, trong khi mức dịch trong nồi được theo dõi liên tục bằng thiết bị đo mức Dựa trên giá trị đo này, người vận hành sẽ điều chỉnh lại tốc độ của bơm cho phù hợp.
Trong chế độ vận hành tự động, tốc độ lọc dịch cốt trong nồi đợc điều khiển theo cách sau:
Here is the rewritten paragraph:"Kiểm soát chất lượng dịch là một bước quan trọng trong quá trình lọc Độ trong của dịch sau lọc được giám sát chặt chẽ thông qua giá trị đo của thiết bị đo độ đục gắn trên đường ống lấy dịch sau khi bơm ra khỏi nồi lọc Nếu dịch không đạt độ trong cho phép, thiết bị sẽ gửi tín hiệu 4-20mA về bộ điều khiển và dịch sẽ được tuần hoàn lại nồi lọc để thực hiện lại quá trình lọc."
Kiểm soát khối lượng dịch lọc là một quá trình quan trọng, trong đó lượng dịch và tốc độ lọc được giám sát bằng thiết bị đo lưu lượng (Flowmeter) Bơm sẽ bơm dịch cho đến khi đạt được khối lượng yêu cầu của công nghệ Ngoài ra, van điều khiển tuyến tính gắn trên đường ống dịch sau bơm có chức năng ổn định tốc độ bơm, đảm bảo dịch chạy trong ống kín, ngăn không cho không khí thâm nhập, từ đó bảo vệ chất lượng dịch.
Quá trình xả bã diễn ra sau khi hoàn tất việc rửa bã, trong đó bã được xả ra thông qua động cơ van xả bã tại đường ống xả ở đáy nồi lọc Bã sau đó được chuyển đến thùng chứa và vận chuyển ra khỏi nhà máy Mức bã trong thùng chứa được kiểm soát bởi thiết bị báo mức cao và thấp, đảm bảo quản lý hiệu quả cặn bã còn lại.
Dịch và tạp chất của nguyên liệu tạo ra dạng sánh đặc, dẫn đến hiện tượng ùn tắc khi bã được đẩy ra khỏi thùng bằng động cơ quay trục vít Để khắc phục tình trạng này, hệ thống được trang bị thêm đường ống dẫn khí nén, thổi khí vào vị trí cửa thùng Áp suất khí đẩy trên đường khí nén cũng được kiểm soát bởi thiết bị đo áp suất.
Phơng pháp điều khiển nồi lọc của các đơn vị nớc ngoài
Hiện nay, nhiều nhà máy bia ở Việt Nam là liên doanh với các công ty nước ngoài, áp dụng công nghệ tiên tiến từ các quốc gia có nền công nghiệp phát triển Những nhà máy này không chỉ chú trọng vào quy trình nấu bia mà còn kiểm soát và giám sát tốc độ lọc cùng chất lượng lọc tại nồi lọc, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn cao.
Nồi lọc đóng vai trò quan trọng trong quá trình nấu bia, vì vậy các nhà thiết kế và nhà đầu tư luôn ưu tiên chọn lựa nồi lọc hiện đại để đảm bảo chất lượng lọc tốt nhất Một ví dụ điển hình là nhà máy bia Củ Chi, được xây dựng vào năm 2006 theo công nghệ tiên tiến của hãng Krones - Đức, nổi tiếng với kinh nghiệm trong xây dựng và lắp đặt các nhà máy bia công nghệ cao trên toàn cầu Trong dây chuyền nấu bia của nhà máy này, nồi lọc được sử dụng là nồi lọc Pegasus.
Sơ đồ P&ID của nồi lọc bã bia trong dây chuyền nấu nhà máy bia Củ Chi đợc mô tả nh trong hình 2- 6:
Bài toán điều khiển
Việc điều khiển nồi lọc được thực hiện qua máy tính, nơi người vận hành nhập các giá trị độ đục của dịch ban đầu từ phòng thí nghiệm, giá trị độ đục mong muốn sau khi lọc và khoảng thời gian làm việc cần thiết Hệ thống sẽ hoạt động dựa trên các giá trị này, kết hợp với các giá trị đo được trong quá trình lọc, nhằm điều chỉnh tốc độ lọc hiệu quả.
- Giá trị mức liên tục của dịch trong nồi, đợc đo bằng thiết bị đo mức kí hiệu là LI/LET
- Giá trị lu lợng dịch, đo bởi thiết bị đo lu lợng Flowmetter FIC/FQET
- Giá trị tốc độ bơm, đo bởi biến tần kí hiệu là SC.
- Giá trị nhiệt độ dịch, đo bởi thiết bị đo và chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ có kí hiệu là TIC/TET
- Giá trị nhiệt độ nớc phối trộn, đo bởi thiết bị đo và chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ có kí hiệu là TIC/TET
- Giá trị lu lợng nớc, đo bởi thiết bị đo lu lợng Flowmetter FIC/FQET
- Giá trị tốc độ cánh khuấy, đo bởi biến tần kí hiệu là SC.
- Giá trị vị trí cánh khuấy, đo bởi thiết bị đo độ cao của cánh khuấy khi hoạt động nâng hạ cánh khuấy kí hiệu là GI/GET
- Giá trị độ đục/độ trong của dịch lọc, đo bởi thiết bị đo độ đục kí hiệu là QIS/QET
- Giá trị đo mức bã trong phễu chứa bã malt kí hiệu là LSH (đo mức cao) và LSL (đo mức thấp)
- Giá trị áp suất khí nén đẩy vào phễu chứa bã, đo bởi thiết bị đo áp suất kí hiệu là PI/PET
Giá trị góc mở van của van tuyến tính trên đường dịch chuyển sang nồi trung gian được xác định từ van tuyến tính ký hiệu GC, với bộ chuyển đổi tín hiệu tương ứng sang tín hiệu 4-20mA.
Giá trị góc mở của van tuyến tính trên đường dịch ra của nồi lọc được xác định từ van tuyến tính ký hiệu là GC, với bộ chuyển đổi tín hiệu chuyển đổi thành tín hiệu 4-20mA tương ứng với góc mở van.
Giá trị góc mở của van tuyến tính trong hệ thống cấp nước (bao gồm nước lạnh và nước nóng) được xác định từ van tuyến tính ký hiệu GC, với bộ chuyển đổi tín hiệu chuyển đổi sang tín hiệu 4-20mA tương ứng với góc mở của van.
Toàn bộ quá trình điều khiển đợc thực hiện tự động hoàn toàn
Sơ đồ P&ID trong hình 1.5 và quy trình điều khiển cho thấy rằng tốc độ lọc và thời gian lọc luôn đáp ứng yêu cầu công nghệ, đảm bảo chất lượng dịch lọc sau khi lọc.
Sơ đồ P&ID điển hình đợc minh hoạ trên hình 2-7:
Hình 2-7: Sơ đồ điều khiển tốc độ bơm dịch theo mức dịch nồi lọc
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Học viên : vơng vũ hiệp lớp cao học đo lờng và các HTĐK 06-08
Chơng 3: Thiết kế và sách lợc điều khiển
ThiÕt kÕ
Lựa chọn thiết bị
i) Phần mềm và phần cứng hệ thống:
BRAUMAT Server/Redundant – Máy chủ/Máy dự phòng
Chi tiết nh sau : xem phụ lục 3 bao gồm các phần
+ Phần mềm WINCC ( Trạm OS độc lập)
BRAUMAT Client – Máy khách giám sát, điều khiển.
Chi tiÕt nh sau : Xem phô lôc 3
+ Phần mềm WINCC ( Trạm OS đơn lẻ)
Hệ thống tự động hóa BRAUMAT ( PLC)
Chi tiÕt nh sau: xem phô lôc 3
+ Cài đặt ii) Hệ thống điều khiển từ xa tại hiện trờng,
Chi tiÕt nh sau : xem phô lôc 3 iii) Thiết bị chấp hành tại hiện trờng
Do số lợng thiết bị rất nhiều nên chỉ đa ra các đặc điểm kỉ thuật của một số loại thiết bị đại diện Chi tiết ở phụ lục 3
Thiết kế hệ thống điện động lực
Hệ thống động lực trong tủ phân phối được thiết kế để cung cấp điện đến các bộ phận tiêu thụ, chủ yếu là động cơ của máy bơm, máy nén và quạt trong nhà máy bia Các động cơ này hoạt động trong nhiều trường hợp khác nhau, đảm bảo hiệu suất và hiệu quả cho quy trình sản xuất.
- Động cơ điều khiển trực tiếp quay một chiều.
BƠM CấP DUNG DịCH NAOH
Hình 3.18- Sơ đồ động lực và điều khiển động cơ quay trực tiếp
- Động cơ điều khiển trực tiếp quay 2 chiều. độ n g c ơ x ả b ã
Hình 3.19- Sơ đồ động lực và điều khiển động cơ quay 2 chiều
- Động cơ điều khiển quay một chiều qua biến tần. Độ NG CƠ bơ m cip c ấp hệ n ấu
Hình 3.20- Sơ đồ động lực và điều khiển động cơ 1 chiều qua biến tần
- Động cơ điều khiển quay 2 chiều qua biến tần. Đ ộNG CƠ Cá NH KHUấY Nồ I Lọ C
Hình 3.21- Sơ đồ động lực và điều khiển động cơ 2 chiều qua biến tần
- Động cơ điều khiển qua khởi động mềm.
37 kw động cơ má y nghiền gạ o
Hình 3.22- Sơ đồ động lực và điều khiển động cơ bằng khởi động mềm
- Động cơ trong hệ thống chạy Cascade. Đ ộNG CƠ bơ m TANK NƯ ớ C 2 Đ ộ § IÒU KHIÓN CASCADE
Hình 3.23 Sơ đồ động lực và điều khiển động cơ bơm chạy Cascade-
3.1.3 Thiết kế hệ thống điện điều khiển
Mạch điều khiển được thiết kế dựa trên việc phân chia nguồn hợp lý cho các tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào riêng biệt Các loại tín hiệu được phân loại và hướng dẫn đấu nối như sau: tín hiệu đầu vào bao gồm
Tín hiệu vào rơle 24VDC bao gồm các tín hiệu từ tiếp điểm contactor và các tiếp điểm của các công tác hình trình, dùng để báo hiệu trạng thái đóng hoặc mở cửa nồi, cũng như cảnh báo tình trạng kẹt của gầu tải hoặc vít tải nguyên liệu Phần điều khiển được hiển thị bên trái hình 2.18.
Tín hiệu vào 4-20 mA là các tín hiệu đã được chuẩn hóa, thường được sử dụng trong các thiết bị đo áp suất, lưu lượng, độ điện dẫn, nhiệt độ và đo mức liên tục trong các bể chứa axit, bể chứa xút và bể chứa nước thải.
Hình 3.24- Sơ đồ mạch đấu dây tín hiệu vào của đo mức liên tục 4-20 mA
- Tín hiệu vào là rơle dạng transitor PNP : là các tín hiệu về của các báo mức rơle, tín hiệu báo xung của thiết bị đo lu lợng
+ Đối với tín hiệu ra gồm có :
Tín hiệu ra rơle 24VDC được sử dụng để điều khiển các van điện từ khí nén và điều khiển động cơ, thông qua việc đóng rơle để cấp điện cho cuộn hút của khởi động từ, giúp động cơ hoạt động Hình 2.18 minh họa rõ ràng quá trình này.
Tín hiệu ra 4-20 mA được sử dụng để điều khiển việc mở và đóng các van điều khiển tuyến tính (van PID) và điều chỉnh tốc độ chạy của động cơ thông qua biến tần.
Thiết kế hệ thống điện động lực
Hình 3.25- Sơ đồ mạch đấu dây tín hiệu ra dạng dòng 4-20 mA
Tín hiệu ra 0-10 VDC được sử dụng để điều khiển động cơ thông qua biến tần Nó đóng vai trò quan trọng trong sơ đồ điều khiển biến tần hoạt động ở chế độ Cascade, như được minh họa trong hình 3.23.
Sách lợc điều khiển
Mục đích của việc tách dịch là tách phần dịch đã hoà tan từ bã bia để cố gắng tối u theo 3 chỉ tiêu sau:
Có ba hệ thống tách dịch chính được sử dụng trong quy trình lọc, bao gồm nồi lọc, máy lọc và nồi đun sôi malt Tất cả các hệ thống này đều áp dụng một phương pháp lọc chung.
Các mục đích của lọc dịch
Các mục đích chính góp phần tác động đến kết quả của quá trình là:
Hiệu suất lọc (độ đờng sót)
Dịch cốt có số lợng tạp chất “rắn” thấp
Chu kỳ thời gian chính xác
Dịch với nồng độ oxy hoà tan thấp (DO2 )
Ngoài ra, chúng ta mong muốn đạt đợc các mục tiêu khác trong quá trình nh:
Độ bền về cơ khí cao
Bã xả có hơi ẩm thấp (chất lợng bã tốt, khô)
Lợng bã bỏ đi tối thiểu
Tối u hoá chất lợng dịch
Chất lượng dịch nồi lọc đường được đánh giá qua độ trong, độ rắn (tạp chất) và độ oxy hòa tan, đồng thời cần giữ các thông số không mong muốn ở mức tối thiểu.
Độ đục của dịch lọc
Các nguyên liệu có tính tiêu cực với hơng vị từ vỏ trấu nh là polyphenol
Các nguyên liệu tinh bột
Các nguyên liệu nhiễm khuẩn
Hiệu suất chiết được xác định thông qua hiệu suất lọc dịch đường và khi thoát dịch cốt hòa tan từ bã bia thải Chất lượng lưới lọc và cấu trúc của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chiết, liên quan đến nhiều yếu tố khác nhau.
Chất lợng của các nguyên liệu thô
Số lợng các nguyên liệu
Chất lợng của lợng dịch đờng đa vào nồi lọc
Chu kỳ lấy dịch cốt
Trọng lợng riêng đạt đợc từ các nguyên liệu cốt
Chất lợng dịch yêu cầu
Các dịch “yếu” (dịch lọc khi rửa bã) tái sử dụng có ích
Nguyên lý lọc cơ bản
Nguyên lý lọc đợc lập ra bởi ông Henry Darcy vào năm 1856, xuất phát từ công thức áp dụng cho bộ lọc cát:
Q = tổng khối lợng chất lỏng lọc chảy qua trong 1 đơn vị thời gian
K = hệ số miêu tả độ thấm của màng lọc/tấm lọc
A = diện tích mặt cắt cố định
∆h = (h1-h2) = độ chênh áp suất trong chiều cao cột chất lỏng L
Huite và Westerman đã lập ra phơng trình tính K nh sau:
Trong đó: n = số lỗ thủng lới lọc (thể tích dịch/thể tích lới lọc) d= đờng kính phần tử ảnh hởng
Từ đó, ngời ta đã đa ra công thức áp dụng cho quá trình lọc nh sau:
K = độ thấm của lớp bã
A = diện tích bề mặt lớp bã
∆P = độ chênh áp qua lớp bã (tại vùng giới hạn bề mặt lới lọc) à = độ nhớt của dịch đờng
L = độ dày lớp bã Độ thấm K và đờng kính kích cỡ phần tử ảnh hởng (de ) có mối quan hệ nh sau:
Trong đó, ε đại diện cho số lỗ thủng của lưới lọc, được tính bằng tỷ lệ thể tích dịch trên thể tích lưới Đường kính kích cỡ phần tử ảnh hưởng được định nghĩa như sau:
Trong đó: xi = phân số trọng lợng (không thứ nguyên) di = đờng kính phần tử Độ thấm của lớp bã (K)
K được sử dụng để chỉ hiệu suất lọc trong quá trình tháo dịch cốt Khi lượng dịch chảy qua lớp bã, chiều cao lớp dịch cốt dưới lưới lọc giảm, dẫn đến sự thay đổi vị trí của kẽ hở và bề mặt phần tử Hệ quả là chênh áp tăng, số lỗ thủng lưới lọc giảm, làm giảm độ thấm Các hệ số trong phương trình Darcy có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tách dịch.
Hệ số Tác động tích cực/tiêu cực Phụ thuộc ε + Dịch đờng loãng, gạt bã hoạt động liên tục de + Quá trình nghiền liệu tốt
A + đờng kính nồi lọc lớn nhất
∆P + Thiết kế kỹ thuật ống trung gian hút dịch trong à - Chất lơng nguyên liệu thô, tỷ trọng dịch đờng và nhiệt độ
Chơng 4: tích hợp hệ thống tự động hoá nồi lọc bã bia
Tích hợp hệ thống tự động hoá nồi lọc bã bia
Sơ đồ giao diện tích hợp hệ thống tự động hoá lọc bã bia điều khiển các quá trình lọc:
Sơ đồ thuật toán tổng thể các quá trình nấu trong dây chuyền nấu:
Sơ đồ thuật toán quá trình các bớc điều khiển nồi lọc:
Sơ đồ thuật toán quá trình các bớc điều khiển nồi lọc:
Sơ đồ thuật toán mô tả quá trình điều khiển nồi lọc và chuyển bã, bao gồm các đường cong thể hiện chất lượng lọc, khối lượng lọc và tốc độ lọc Đồ thị minh họa kết quả đo trong quá trình lọc, cùng với các giá trị lưu lượng lọc theo thời gian, giúp theo dõi hiệu suất và tối ưu hóa quy trình lọc.
Công thức nấu bia của nồi lọc:
Kết quả ứng dụng thực tế tại nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội
Nhà máy Bia Sài Gòn Hà Nội (SAHABECO) được Công ty Cổ phần Bia Sài Gòn Hà Nội làm chủ đầu tư, tọa lạc tại Khu công nghiệp vừa và nhỏ huyện.
Nhà máy bia Từ Liêm, Hà Nội, có công suất 90 triệu lít bia thương phẩm mỗi năm và có khả năng mở rộng lên 120 triệu lít/năm, được khởi công xây dựng trên diện tích rộng lớn.
6 hecta vào tháng 9 năm 2007 và đợc bàn giao đa vào sử dụng vào tháng 11 năm
2008 Ngay khi ban giao, nhà máy đã chạy ổn định và vợt công suất thiết kế, đáp ứng đủ yêu cầu đề ra ban đầu
Công ty Cơ nhiệt điện lạnh Bách Khoa (POLYCO) là tổng thầu cho toàn bộ nhà máy Bia Sài Gòn Hà Nội, với dây chuyền chiết chai và hệ thống lọc bia được cung cấp bởi KRONES AG (Đức) Nhà máy sản xuất bia theo công nghệ của Bia Sài Gòn, sử dụng máy móc do POLYCO thiết kế và chế tạo trong nước, cùng với một số thiết bị nhập khẩu từ KRONES AG POLYCO cũng đảm nhận thiết kế, chế tạo, lắp đặt và tự động hóa các hệ thống như xay nghiền, nấu, lên men, tank thành phẩm, xử lý nước nấu, xử lý nước thải, máy nén khí, hệ thống lạnh, thu hồi CO2, lò hơi, và hệ thống điện phân phối Nhà máy được hoàn thiện với công nghệ hiện đại, mức độ tự động hóa cao, sử dụng thiết bị từ các hãng uy tín trong ngành thực phẩm.
Tổng Công ty cơ nhiệt điện lạnh Bách Khoa đã áp dụng các công nghệ mới trong xây dựng và lắp đặt dây chuyền sản xuất, học hỏi từ các công nghệ tiên tiến trên thế giới Việc này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm bia mà còn tiết kiệm chi phí cho nhà máy thông qua việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại.
Việc kiểm tra cấu trúc điều khiển và các hệ thống phần mềm đã được thực hiện tại nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội Để đánh giá hiệu quả nghiên cứu, chúng tôi
Kết quả thu được cho thấy khả quan với khối lượng dịch lọc bơm đi ổn định, thời gian lọc đáp ứng yêu cầu công nghệ và độ trong của dịch lọc đạt tiêu chuẩn.
Kết quả đo đạc được tác giả thu thập trực tiếp từ phòng vận hành của nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội, dựa trên bảng thống kê số liệu của 5 mẻ nấu được ghi lại theo mẫu trong bảng 4.3 Phụ lục 2.
Việc áp dụng phương pháp điều khiển tầng cho hệ thống tự động hóa nồi lọc bã đã mang lại kết quả tích cực, với khối lượng dịch trong bơm đi trong quá trình lọc biến thiên ổn định Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng điều khiển tầng trong quá trình lọc là hiệu quả và đáng tin cậy.
Van tuyến tính CV105 cho thấy độ làm việc ổn định và nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng Độ mở của van thay đổi linh hoạt và nhanh chóng ổn định khi khối lượng dịch đường đầu vào thay đổi.
Hớng nghiên cứu và phát triển đề tài
Mặc dù kết quả đạt được khá khả quan, nhưng để duy trì hiệu quả như đã thu được trong thực tế, cần phải điều chỉnh nhiều thông số đầu vào của hệ thống Vấn đề này xuất phát từ việc lý tưởng hóa các điều kiện làm việc của hệ thống và coi chúng như các thành phần không thay đổi, trong khi thực tế các thành phần này có sự biến động và ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Để nâng cao hiệu quả hơn nữa, cần xem xét cấu trúc điều khiển như trong hình 4-1.
Kết luận và kiến nghị
Luận văn trình bày một phương pháp nghiên cứu tích hợp hệ thống tự động hóa các quá trình quan trọng trong công nghệ lọc bã bia, bao gồm kiểm soát chất lượng dịch lọc, thời gian lọc và lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp Mặc dù các nghiên cứu đã đạt được kết quả ban đầu trong thực tiễn sản xuất, nhưng vẫn còn nhiều yếu tố và điều kiện cần được tối ưu hóa hơn nữa để phản ánh chính xác quy trình công nghệ Cần đầu tư nghiên cứu sâu hơn để làm chủ công nghệ, từ đó xác lập quy luật và công thức toán học chính xác nhằm kiểm soát quá trình lọc, góp phần nâng cao chất lượng và công suất sản xuất bia Đây vẫn là thách thức lớn đối với các chuyên gia và nhà khoa học trong lĩnh vực chế biến và sản xuất bia, rượu nước giải khát.